CN116900929B - 化学机械抛光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体制造技术领域，公开了一种化学机械抛光的方法。本发明的化学机械抛光的方法采用化学机械抛光装置完成，该化学机械抛光装置包括抛光台、抛光垫、抛光头、氧化组件和抛光液组件，抛光垫设置于抛光台上；抛光头用于吸附晶圆的背面，抛光头能够旋转，并使晶圆压向抛光垫；氧化组件包括混气腔体、臭氧气源件和氢气气源件，臭氧气源件通过第一管路与混气腔体连通，氢气气源件通过第二管路与混气腔体连通，混气腔体的顶部安装有射频电源件，混气腔体的内部安装有紫光灯；抛光液组件用于向抛光垫上喷淋抛光液。该化学机械抛光装置，通过设置氧化组件，有效提高了对晶圆表面的氧化效率。

Description

化学机械抛光的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种化学机械抛光的方法。
背景技术
SiC作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、低介电常数和抗辐射能力强等优良的特性，是理想的半导体材料之一。SiC单晶硬度大，其莫氏硬度为9.2，仅小于金刚石。SiC单晶的压缩强度高于其弯曲强度，故具有较大的硬脆性。SiC的化学物理惰性强，不易发生化学反应和物理作用。
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是半导体行业内通过研磨实现平坦化的重要制程，其原理结合了化学反应和物理摩擦共同作用，因SiC硬度大，惰性强，抛光液采用莫氏硬度为9的氧化铝作为磨料，并添加氧化剂进行研磨，常温氧化剂氧化速度慢，导致去除速率（Remove Rate，RR）低，磨料硬度大，导致研磨后SiC材料表面粗糙度（Roughness，Ra）差。
等离子辅助抛光（Plasma Assisted Polishing，PAP）是在传统CMP制程上创新出的一种新型抛光方式，其原理为将需抛光的表面使用等离子体氧化为较软的氧化层，再配合磨料进行抛光。实现方案为在腔体内通入水蒸气，经过射频发生器，使水蒸气电离为含有强氧化性的羟基自由基团的等离子体，羟基自由基团将SiC表面氧化改性，形成较软的氧化层，再通过较软磨料（CeO2）进行氧化层抛光，最终得到光滑原子级SiC表面。然而，该种抛光方法中，水蒸气等离子体氧化速率过慢，SiC去除速率过低，粗糙度过差，无法实现PAP工艺推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学机械抛光装置及化学机械抛光的方法，旨在提高对SiC晶圆的表面氧化速率，优化SiC晶圆的表面粗糙度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
化学机械抛光装置，包括：
抛光台；
抛光垫，设置于所述抛光台上；
抛光头，用于吸附晶圆的背面，所述抛光头能够旋转，并使所述晶圆压向所述抛光垫；
氧化组件，包括混气腔体、臭氧气源件和氢气气源件，所述臭氧气源件通过第一管路与所述混气腔体连通，所述氢气气源件通过第二管路与所述混气腔体连通，所述混气腔体的顶部安装有射频电源件，所述混气腔体的内部安装有紫光灯；
抛光液组件，用于向所述抛光垫上喷淋抛光液。
可选地，所述射频电源件包括电性连接的发电机和射频电源匹配器，所述发电机通过所述射频电源匹配器和所述混气腔体的顶部连接。
可选地，所述第一管路和所述第二管路上均安装有气体流量计。
可选地，所述化学机械抛光装置还包括钻石修整器，用于修整所述抛光垫。
化学机械抛光的方法，采用如上述任一方案所述的化学机械抛光装置，所述化学机械抛光的方法包括：
上片，将所述抛光头吸附所述晶圆的背面，并使所述晶圆预接触所述抛光垫；
初始氧化，所述射频电源件提供第一射频功率，所述臭氧气源件通过所述第一管路向所述混气腔体供给臭氧，所述氢气气源件通过所述第二管路向所述混气腔体供给氢气，开启所述紫光灯；
高速率氧化抛光，所述抛光头旋转，使所述晶圆以第一压力压向所述抛光垫，所述抛光液组件向所述抛光垫上喷淋含高锰酸钾的氧化铝抛光液；
清洗，关闭所述射频电源件，关闭所述紫光灯，所述臭氧气源件和所述氢气气源件均停止供气，所述抛光液组件停止向所述抛光垫上喷淋所述含高锰酸钾的氧化铝抛光液，对所述抛光垫进行清洗处理；
低速率氧化抛光，所述抛光头旋转，使所述晶圆以第二压力压向所述抛光垫，所述抛光液组件向所述抛光垫上喷淋含高锰酸钾的二氧化硅抛光液，所述第二压力小于所述第一压力。
可选地，所述第一压力为5psi-8psi；所述第二压力为2psi-5psi。
可选地，在所述射频电源件提供所述第一射频功率前，所述晶圆预接触所述抛光垫后，需先清洗所述抛光垫。
可选地，使用所述含高锰酸钾的二氧化硅抛光液对所述晶圆进行抛光后，需对所述晶圆和所述抛光垫进行清洗处理。
可选地，对所述晶圆和所述抛光垫进行清洗处理后，还包括：
下片，所述抛光头卸载所述晶圆；
清洗所述抛光垫，所述抛光液组件向所述抛光垫上喷淋柠檬酸和双氧水混合抛光液；
对卸载后的所述晶圆进行清洗处理。
可选地，对卸载后的所述晶圆进行清洗处理包括：
兆声，将所述晶圆放入兆声槽内，进行兆声处理；
第一次刷洗，将兆声处理后的所述晶圆放入第一个刷洗槽内，向所述晶圆喷淋第一溶液；
第二次刷洗，将第一次刷洗后的所述晶圆放入第二个刷洗槽内，向所述晶圆喷淋第二溶液；
甩干，将第二次刷洗后的所述晶圆放入甩干槽内，所述甩干槽内通入氮气并高速旋转，进行甩干处理。
本发明的有益效果：本发明提供的化学机械抛光装置，通过设置氧化组件，臭氧气源件向混气腔体内通入臭氧，氢气气源件向混气腔体内通入氢气，射频电源件给混气腔体提供射频电压，使混气腔体内产生电场，紫光灯设置于混气腔体的内部，其照射臭氧和氢气，使臭氧和氢气迅速反应生成大量的羟基自由基团，羟基自由基团在电场作用下，朝抛光垫运动，溶于抛光液中并对晶圆表面进行氧化，与现有电离水蒸气相比，有效提高氧化速率。
本发明提供的化学机械抛光的方法，采用上述的化学机械抛光装置，先对晶圆进行初步氧化，紫光灯照射臭氧和氢气，使臭氧和氢气迅速反应生成大量的羟基自由基团，羟基自由基团溶于抛光液中并对晶圆表面进行氧化，提高了氧化速率；抛光过程包括高速率氧化抛光，高速率氧化抛光时的抛光液采用含高锰酸钾的氧化铝抛光液，高锰酸钾和羟基自由基团对晶圆表面进行双重氧化，进一步提高了氧化速率，采用莫氏硬度为9的氧化铝磨料进行研磨，提升机械研磨速率，并配合相对较大的抛光头给晶圆的第一压力，使去除效率最大化；抛光过程还包括低速率氧化抛光，低速率氧化抛光时，臭氧气源件和氢气气源件均停止供气，采用含高锰酸钾的二氧化硅抛光液，利用高锰酸钾对晶圆表面进行氧化，使用莫氏硬度为7的二氧化硅磨料进行研磨，并配合相对较小的抛光头给晶圆的第二压力，去除速率降低，以修复损伤层，优化粗糙度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的化学机械抛光装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的化学机械抛光的方法的流程图。
图中：
1、抛光台；2、抛光垫；3、抛光头；41、混气腔体；42、臭氧气源件；43、氢气气源件；441、发电机；442、射频电源匹配器；45、紫光灯；5、抛光液组件；6、抛光液；7、气体流量计；8、钻石修整器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本实施例提供了一种化学机械抛光装置及化学机械抛光的方法，应用于对4H-SiC、6H-SiC、N型、半绝缘型等所有SiC晶圆类型的抛光处理，通用于4英寸～8英寸的SiC单晶或者复合衬底SiC的晶圆。
如图1所示，该化学机械抛光装置包括抛光台1、抛光垫2、抛光头3、氧化组件和抛光液组件5，抛光垫2设置于抛光台1上；抛光头3用于吸附晶圆的背面，抛光头3能够旋转，并使晶圆压向抛光垫2；氧化组件包括混气腔体41、臭氧气源件42和氢气气源件43，臭氧气源件42通过第一管路与混气腔体41连通，氢气气源件43通过第二管路与混气腔体41连通，混气腔体41的顶部安装有射频电源件，混气腔体41的内部安装有紫光灯45；抛光液组件5用于向抛光垫2上喷淋抛光液6。
本实施例提供的化学机械抛光装置，通过设置氧化组件，臭氧气源件42向混气腔体41内通入臭氧，氢气气源件43向混气腔体41内通入氢气，射频电源件给混气腔体41提供射频电压，使混气腔体41内产生电场（如，混气腔体41的顶部为上电极，混气腔体41的底部为下电极），紫光灯45设置于混气腔体41的内部，其照射臭氧和氢气，使臭氧和氢气迅速反应生成大量的羟基自由基团，羟基自由基团在电场作用下，朝抛光垫2运动，溶于抛光液6中并对晶圆表面进行氧化，与现有电离水蒸气相比，有效提高氧化速率。
可选地，射频电源件包括电性连接的发电机441和射频电源匹配器442，发电机441通过射频电源匹配器442和混气腔体41的顶部连接。发电机441供电，并通过射频电源匹配器442输出射频功率，射频电源匹配器442可以通过调整其内部的电气元件，例如电感、电容或变压器等，来输出需要的射频功率，射频电源匹配器442可以确保最大功率传输和最小反射损耗，使用可靠。
于本实施例中，第一管路和第二管路上均安装有气体流量计7，气体流量计7可以记录臭氧或氢气的气体量，以方便工作人员及时获取臭氧或氢气的流量信息。
该化学机械抛光装置还包括钻石修整器8，用于修整抛光垫2，其可以去除抛光垫2表面的累积物，以恢复抛光垫2原始的工作表面，延长抛光垫2的使用寿命，减少替换成本。
可选地，本实施例中的抛光液组件5包括喷嘴和第三管路，喷嘴设于第三管路的端部并正对抛光垫2设置，以保证喷出的抛光液6全部喷淋至抛光垫2上，提高喷淋效果。
本实施例还提供了一种化学机械抛光的方法，采用上述的化学机械抛光装置，该化学机械抛光的方法包括：
S1、上片，将抛光头3吸附晶圆的背面，并使晶圆预接触抛光垫2；
S2、初始氧化，射频电源件提供第一射频功率，臭氧气源件42通过第一管路向混气腔体41供给臭氧，氢气气源件43通过第二管路向混气腔体41供给氢气，开启紫光灯45；
可选地，初始氧化时，第一射频功率为400W～1000W，臭氧流速为150sccm～300sccm，氢气流速为100sccm～250sccm，紫外光的波长为178nm。
S3、高速率氧化抛光，抛光头3旋转，使晶圆以第一压力压向抛光垫2，抛光液组件5向抛光垫2上喷淋含高锰酸钾的氧化铝抛光液；
可选地，高速率氧化抛光时，抛光头3的转速为100rmp～130rmp，第一压力为5psi～8psi，含高锰酸钾的氧化铝抛光液的流速为100ml/min～150ml/min，高速率氧化抛光时的去除速率为10um/h～20um/h。
S4、清洗，关闭射频电源件，关闭紫光灯45，臭氧气源件42和氢气气源件43均停止供气，抛光液组件5停止向抛光垫2上喷淋含高锰酸钾的氧化铝抛光液，对抛光垫2进行清洗处理；
S5、低速率氧化抛光，抛光头3旋转，使晶圆以第二压力压向抛光垫2，抛光液组件5向抛光垫2上喷淋含高锰酸钾的二氧化硅抛光液，第二压力小于第一压力。
可选地，低速率氧化抛光时，抛光头3的转速为100rmp～130rmp，第二压力为2psi～5psi，含高锰酸钾的二氧化硅抛光液6的流速为100ml/min～150ml/min，低速率氧化抛光时的去除速率约为0.5um/h，能得到粗糙度约0.1nm的光滑原子级表面，可以通过原子力显微镜观察到清晰的原子台阶。
本实施例提供的化学机械抛光的方法，先对晶圆进行初步氧化，紫光灯45照射臭氧和氢气，使臭氧和氢气迅速反应生成大量的羟基自由基团，羟基自由基团溶于抛光液6中并对晶圆表面进行氧化，提高了氧化速率；抛光过程包括高速率氧化抛光，高速率氧化抛光时的抛光液6采用含高锰酸钾的氧化铝抛光液，高锰酸钾和羟基自由基团对晶圆表面进行双重氧化，进一步提高了氧化速率，采用莫氏硬度为9的氧化铝磨料进行研磨，提升机械研磨速率，并配合相对较大的抛光头3给晶圆的第一压力，使去除效率最大化；抛光过程还包括低速率氧化抛光，低速率氧化抛光时，臭氧气源件42和氢气气源件43均停止供气，采用含高锰酸钾的二氧化硅抛光液，利用高锰酸钾对晶圆表面进行氧化，使用莫氏硬度为7的二氧化硅磨料进行研磨，并配合相对较小的抛光头3给晶圆的第二压力，去除速率降低，以修复损伤层，优化粗糙度。
臭氧和氢气获得自由基团的原理为：臭氧吸收波长为100nm～200nm的紫外光，从而进入高能状态；在紫外线光照射下，氢分子光解为两个氢原子，高能态的臭氧和氢原子先生成氧化氢叶片中间体（H-O-O），H-O-O立刻分解为羟基自由基（HO2）和氧原子（O）。在这个反应中，紫外线激活了氢分子和臭氧分子，使它们产生了足够的能量反应，进而产生羟基自由基。反应过程如下：O3+hν→O2+O(1D)H2+hν→2HO(1D)+H2→OH+HOH+O3→HO2+O2。
可选地，在射频电源件提供第一射频功率前，晶圆预接触抛光垫2后，需先清洗抛光垫2，以清除掉抛光垫2表面的颗粒。进一步地，清洗抛光垫2后，初始氧化前，还包括预氧化和预抛光。预氧化时，射频电源件提供第二射频功率，第二射频功率小于第一射频功率，臭氧气源件42和氢气气源件43同时向混气腔体41内低流速供气，并开启紫外灯照射，混气腔体41内营造臭氧和氢气的氛围。其中，第二射频功率为50W～200W，臭氧流速为50sccm～150sccm，氢气流速为50sccm～100sccm，紫外光的波长为178nm。预抛光时，抛光头3旋转以较低速度旋转，使晶圆以第三压力压向抛光垫2，抛光液组件5向抛光垫2上喷淋抛光液6，抛光液6可选用含高锰酸钾的氧化铝抛光液，以更好地和后续的高速率氧化抛光平稳过渡。其中，抛光头3的转速为50rmp～100rmp，第三压力为2psi～4psi，含高锰酸钾的氧化铝抛光液的流速为150ml/min～250ml/min。
作为优选，高速率氧化抛光进行过程中，可以开启钻石修整器8，钻石修整器8的转速为5rmp～30rmp，抛光垫2材质可选为聚氨酯，聚氨酯的硬度较大；低速率氧化抛光进行过程中，也可以开启钻石修整器8，钻石修整器8的转速为5rmp～30rmp，抛光垫2材质可选为阻尼布，阻尼布的硬度较小。该种设置，可以有效保证抛光垫2的表面处于原始状态。
可选地，使用含高锰酸钾的二氧化硅抛光液对晶圆进行抛光后，需对晶圆和抛光垫2进行清洗处理。例如，可使用纯水冲洗抛光垫2和晶圆，初步去除抛光垫2和晶圆表面残留的含高锰酸钾的二氧化硅抛光液、大尺寸颗粒和抛光副产物等。
对晶圆和抛光垫2进行清洗处理后，还包括：下片，抛光头3卸载晶圆；清洗抛光垫2，抛光液组件5向抛光垫2上喷淋柠檬酸和双氧水混合抛光液；对卸载后的晶圆进行清洗处理。
清洗抛光垫2时，抛光液6为柠檬酸和双氧水混合液，柠檬酸可与高锰酸钾发生氧化还原反应，生成二氧化碳和水，可以有效去除高锰酸钾残留，防止抛光垫2被污染。同时，结合钻石修整器8打磨抛光垫2，再使用纯水冲洗抛光垫2，完成对抛光垫2表面高锰酸钾残留的清洗工作。
可选地，对卸载后的晶圆进行清洗处理包括：
兆声，将晶圆放入兆声槽内，进行兆声处理；
可选地，兆声槽内存有硫酸双氧水混合（Surfuric/Peroxide Mi，SPM）溶液，兆声频率设置为200Hz～600Hz。
第一次刷洗，将兆声处理后的晶圆放入第一个刷洗槽内，向晶圆喷淋第一溶液；
可选地，第一溶液为HF酸（Hydrofluoric Acid）溶液。
第二次刷洗，将第一次刷洗后的晶圆放入第二个刷洗槽内，向晶圆喷淋第二溶液；
可选地，第二溶液为SC1（Standard Clean 1）溶液。SC1溶液为常用的清洗液，其是氨水、双氧水和水的混合物。
甩干，将第二次刷洗后的晶圆放入甩干槽内，甩干槽内通入氮气并高速旋转，进行甩干处理，以完成对晶圆的清洗工作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.化学机械抛光的方法，其特征在于，所述化学机械抛光的方法采用化学机械抛光装置完成，所述化学机械抛光装置包括抛光台(1)、抛光垫(2)、抛光头(3)、氧化组件和抛光液组件(5)，所述抛光垫(2)设置于所述抛光台(1)上，所述抛光头(3)用于吸附晶圆的背面，所述抛光头(3)能够旋转，并使所述晶圆压向所述抛光垫(2)，所述氧化组件包括混气腔体(41)、臭氧气源件(42)和氢气气源件(43)，所述臭氧气源件(42)通过第一管路与所述混气腔体(41)连通，所述氢气气源件(43)通过第二管路与所述混气腔体(41)连通，所述混气腔体(41)的顶部安装有射频电源件，所述混气腔体(41)的内部安装有紫光灯(45)，所述抛光液组件(5)用于向所述抛光垫(2)上喷淋抛光液(6)，所述化学机械抛光的方法包括：
上片，将所述抛光头(3)吸附所述晶圆的背面，并使所述晶圆预接触所述抛光垫(2)；
初始氧化，所述射频电源件提供第一射频功率，所述臭氧气源件(42)通过所述第一管路向所述混气腔体(41)供给臭氧，所述氢气气源件(43)通过所述第二管路向所述混气腔体(41)供给氢气，开启所述紫光灯(45)；
高速率氧化抛光，所述抛光头(3)旋转，使所述晶圆以第一压力压向所述抛光垫(2)，所述抛光液组件(5)向所述抛光垫(2)上喷淋含高锰酸钾的氧化铝抛光液；
清洗，关闭所述射频电源件，关闭所述紫光灯(45)，所述臭氧气源件(42)和所述氢气气源件(43)均停止供气，所述抛光液组件(5)停止向所述抛光垫(2)上喷淋所述含高锰酸钾的氧化铝抛光液，对所述抛光垫(2)进行清洗处理；
低速率氧化抛光，所述抛光头(3)旋转，使所述晶圆以第二压力压向所述抛光垫(2)，所述抛光液组件(5)向所述抛光垫(2)上喷淋含高锰酸钾的二氧化硅抛光液，所述第二压力小于所述第一压力。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述第一压力为5psi-8psi；所述第二压力为2psi-5psi。
3.根据权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，在所述射频电源件提供所述第一射频功率前，所述晶圆预接触所述抛光垫(2)后，需先清洗所述抛光垫(2)。
4.根据权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，使用所述含高锰酸钾的二氧化硅抛光液对所述晶圆进行抛光后，需对所述晶圆和所述抛光垫(2)进行清洗处理。
5.根据权利要求4所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，对所述晶圆和所述抛光垫(2)进行清洗处理后，还包括：
下片，所述抛光头(3)卸载所述晶圆；
清洗所述抛光垫(2)，所述抛光液组件(5)向所述抛光垫(2)上喷淋柠檬酸和双氧水混合抛光液；
对卸载后的所述晶圆进行清洗处理。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，对卸载后的所述晶圆进行清洗处理包括：
兆声，将所述晶圆放入兆声槽内，进行兆声处理；
第一次刷洗，将兆声处理后的所述晶圆放入第一个刷洗槽内，向所述晶圆喷淋第一溶液；
第二次刷洗，将第一次刷洗后的所述晶圆放入第二个刷洗槽内，向所述晶圆喷淋第二溶液；
甩干，将第二次刷洗后的所述晶圆放入甩干槽内，所述甩干槽内通入氮气并高速旋转，进行甩干处理。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述射频电源件包括电性连接的发电机(441)和射频电源匹配器(442)，所述发电机(441)通过所述射频电源匹配器(442)和所述混气腔体(41)的顶部连接。
8.根据权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述第一管路和所述第二管路上均安装有气体流量计(7)。
9.根据权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述化学机械抛光装置还包括钻石修整器(8)，用于修整所述抛光垫(2)。
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